JP2671764B2 - 導波路型光デバイスの光導波路と光半導体素子の結合構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導波路型デバイスの光
導波路と光半導体素子の結合構造に関し、特に基板表面
に屈折率の低いクラッド部と屈折率の高いコア部からな
る光導波路が形成され、この光導波路に光学的に結合す
る光半導体素子が配置されている導波路型光デバイスの
光導波路と光半導体素子の結合構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】基板上に周辺よりも屈折率を高くして光
を閉じこめるコア部を形成した光導波路を用いた導波路
型光デバイスは、下記のような特長を有している。すな
わち、導波路型光デバイスは基板上に光導波路を形成
し、光導波路自体に光スイッチングや光結合、光変調の
機能をまたせたり、あるいは光半導体素子と基板上で結
合させたりできるため、電子デバイスのどの半導体技術
と同様に大量生産が可能である。また、高集積化、高機
能化が可能なため、従来のマイクロオプティクス型デバ
イスにない数多くの優れた特長を有している。

【０００３】上述の光導波路として、例えば昭和６１年
度電子情報通信学会総合全国大会の論文集掲載の論文番
号９０１「シリコン基板上の埋込み形石英系単一モード
光導波路」記載の構造がある。これは、基板材料にシリ
コン、あるいは石英ガラスからなる基板の表面にＣＶＤ
（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）法や火災堆積法などの手法を用いて二酸化シリコン
（Ｓｉｏ₂ ）膜を堆積させ、光導波路となる部分だけリ
ンやゲルマニウムなどの不純物をドープさせて屈折率な
高い部分を形成した光導波路で石英光導波路（あるいは
石英系光導波路）と呼ばれている。

【０００４】この種の光導波路は、光ファイバと同じ石
英が光導波路材料として使用されているので、伝搬損失
が非常に低い、光ファイバのフィールドパタンに近いた
め光ファイバと低損失に結合可能であるなどの特長を有
している。このため、方向性結合器の原理を用いた光合
分波機能やＹ分岐構成による光分岐機能、さらには一度
に光を複数に分岐させるスターカプラの機能などの光受
動回路を構成するのに非常に適している。この石英光導
波路を用いた導波路型光デバイスでは、上述のような受
動的な機能をもたせるだけでなく、例えば、１９９３年
電子情報通信学会春季大会の論文集に掲載の論文番号Ｃ
−２３４「ハイブリッド光集積用ＳｉＯ₂ ／Ｓｉ基板の
形成」（以下、文献１と記載）に記載されているよう
に、レーザダイオードなどの光半導体素子と光導波路を
一体化したデバイスが検討されている。これは光半導体
素子と光導波路を一つのデバイスで実現することによ
り、小形化や量産化を図るものである。

【０００５】従来、光導波路に光半導体素子を光学的に
結合させる場合、光半導体素子からの出射光を効率よく
光導波路に結合させるため、両者の間にレンズや先端を
レンズ上に加工した光ファイバを介してスポットサイズ
変換して結合させるような構造がとられていた。しかし
ながら、このような構造、工法であると光導波路基板と
は独立して光半導体素子やレンズを配置しなければなら
ず、小形化に限度があり、生産性も悪いばかりでなく、
光導波路、レンズ、光半導体素子の間の位置ずれが生じ
やすく、信頼性が悪いという問題があった。

【０００６】そこで、上述の文献１に記載のように、光
導波路を形成している膜にエッチングなどの方法により
端面を形成し、この端面近傍に光学的に結合するように
直接基板上に光半導体素子を配置する構造が検討されて
いる。この構造においては、光導波路が形成された基板
と同一の基板上に光半導体素子が実装されるため、周囲
の温度変化などに対して安定であり、小形化も可能にな
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光半導
体基板上に光半導体素子を実装し、光導波路に光半導体
素子の出射光を光導波路端面で直接結合させる構造で
は、レンズやレンズ状に加工された光ファイバによるス
ポットサイズ変換がなされないため、高い結合効率が得
られないという欠点がある。また、この結合構造では光
導波路と光半導体素子の間は空気層となっており、しか
も光導波路端面が平坦で光半導体素子に非常に近接して
いるため、光導波路端面からの光半導体素子への反射戻
り光が大きく、光半導体素子の発振状態が不安定になる
という問題もある。

【０００８】本発明の目的は、上述の欠点を除去し、光
導波路と光半導体素子を高効率で結合でき、しかも光半
導体素子への光導波路端面からの戻り光が少ない光半導
体素子と光導波路の結合構造を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光導波路と光半導体素子の結合構造は、光
導波路の端面と光半導体素子の間に、光導波路のコア部
とほぼ同じ高さにある第１の薄膜と、この上下にある第
２の薄膜および第３の薄膜からなる３層薄膜を設け、第
１の薄膜が第２の薄膜および第３の薄膜よりも屈折率を
高く設定している。

【００１０】また、第１の薄膜は光導波路のコア部の屈
折率よりも小さく、かつ光導波路の端部近傍が端面に向
かって基板と平行な面内でテーパ状に広がっており、端
面は中心軸が基板に垂直な円筒面に設定している。

【００１１】さらに、光導波路端面と光半導体素子の間
に介在させる物質は光半導体素子が基板状に実装された
のち、屈折率の低い第２の薄膜を光導波路のコア部のほ
ぼ下の高さまで被膜し、続いて、屈折率の高い第１の薄
膜をコア部の上の高さまで被膜し、さらにその上に屈折
率の低い第３の薄膜を被膜した構造を有している。

【００１２】上述のように、光導波路端面と光半導体素
子の間に、光導波路のコア部の高さに相当する部分だけ
屈折率が上下より高い３層の薄膜を有している。このた
め、光半導体素子から出射された光は上下方向に閉じこ
められるので損失が少ない状態で光導波路に結合され
る。さらに、光導波路のコアは基板と平行な面内では端
部に向かってテーパ状に広がり、端面が円筒状になって
いるため、上記の薄膜のなかで基板と平行な面内で広が
った光は端面で集光されて光導波路のコア部に結合する
ので、より高効率な結合が可能になる。上述の３層の薄
膜は光半導体素子を基板に実装後に屈折率の小さい第２
の薄膜、屈折率の高い第１の薄膜、さらに屈折率の高い
第３の薄膜と順次被膜する構造にすることにより容易に
実現できる。

【００１３】

【実施例】次に、図面を参照して本発明の実施例につい
て評細に説明する。

【００１４】図１は本発明の光導波路と光半導体素子の
結合構造の第１の実施例を示す縦断面図である。図１に
おいて、光導波路の端面１１と光半導体素子２の間に
は、光導波路のコア部４とほぼ同じ高さにある第１の薄
膜７と、この上下にある第２の薄膜６および第３の薄膜
８からなる３層の薄膜が設けられている。第１の薄膜は
第２の薄膜および第３の薄膜よりも屈折率が高く設定さ
れている。

【００１５】上述の実施例では、シリコンを材料とした
基板１の表面に、従来と同様の方法でＳｉＯ₂ からなる
下部クラッド層３、コア部４、および上部クラッド層５
が順次ＣＶＤ法により形成されている。光導波路および
光導波路端面１１が形成された後、光半導体素子２を位
置決め、実装固定するための金属パッドが基板１の表面
に形成されている。光半導体素子２が基板１の表面の所
望の位置に活性層９を下にして半田１４により実装、固
定されている。この状態で光半導体素子２は光導波路の
コア部４に光学的に結合されている。

【００１６】ここで、光半導体素子２の位置決め実装に
は１９９３年電子情報通信学会春季大会の論文集掲載の
論文番号Ｃ−２７８「ＡｎＳｎバンプによる光素子のセ
ルフアライメント実装」に記載の半田バンプによる方法
を用いた。また、光導波路の端面１１と光半導体素子２
の発光部１０の距離は、光導波路端面円筒部１３の焦点
距離に合うように約２００μｍとした。

【００１７】光半導体素子２が基板１へ実装された後、
まず最初に、透明で屈折率の低い第２の薄膜６（屈折率
ｎ₁ ＝１．３）が基板１の表面に被膜される。被膜には
粘性の小さい熱硬化性樹脂を用いた。これを基板１の表
面に塗布後、光導波路の端面１１と光半導体素子２の間
に流れ込ませ、約９０度で熱硬化させた。続いて、透明
で屈折率の高い第１の薄膜７（ｎ₂ ＝１．４）を同様の
方法で第１の薄膜６の上面に塗布し硬化させた。さらに
第２の薄膜６と同じ樹脂を第１の薄膜７の上面に塗布し
硬化させ第３の薄膜８を形成した。各層の薄膜の膜厚
は、実装後の光半導体素子２の発光部１０の高さを基準
に、それぞれ第２の薄膜が約５０μｍ、第１の薄膜が約
８μｍ、第３の薄膜が２０μｍ以上となっている。

【００１８】次に、本発明の光導波路と光半導体素子の
結合構造の第２の実施例について、図２を参照して評細
に説明する。

【００１９】図２は、本発明の光導波路と光半導体素子
の結合構造の第２の実施例を示す斜視図である。第２の
実施例では、光導波路の端面１１の近傍がテーパ状に拡
がり、円筒状の光導波路の端面１１を有している。第１
の薄膜７の屈折率は光導波路のコア部４の屈折率よりも
低く、かつ光導波路のコア部４の端面近傍は端面１１に
向かってテーパ状に広がっており、しかも端面１１は中
心軸が基板１に垂直な円筒状になっている。光導波路の
端面１１となる部分の近傍はコア部４を形成するためパ
ターニングする際に、端面に向かってテーパ状になるよ
うなマスクパタンを用いてコア部４が形成されている。
光導波路のコア部４の厚み、幅がともに１０μｍなのに
対して、テーパ部の形状は広がっている部分の長さは３
００μｍ、テーパ部の端部での最も拡がった部分の幅が
約８０μｍとなっている。次に、光導波路を形成するＳ
ｉＯ₂ 膜に端面１１を形成するために、光導波路端面円
筒部の形状と同じパタンを有する金属マスクパタンが光
導波路の上部クラッド層５の上面に形成され、エッチン
グにより端面１１が形成されている。

【００２０】次に、本発明の光導波路と光半導体素子の
結合構造を有する光導波路型デバイスの特性について説
明する。図２に示す本発明の結合構造を有する導波路型
光デバイスと従来の結合構造を有する光導波路デバイス
を作製し、特に、光導波路と光半導体素子の結合効率に
ついて比較評価した。通常、光導波路と光半導体素子の
間に集光用レンズを介在させて光半導体素子の位置を最
適調整させた場合の結合効率は約７ｄＢであった。これ
に対して、上述の本発明の結合構造を用いた実施例で
は、結合効率は約４．５ｄＢであり、従来のレンズを用
いた結合構造に近い値が得られた。

【００２１】また、本発明の結合構造では、単に結合効
率がよいだけでなく、樹脂により光導波路との屈折率整
合がはかられているため、光導波路端面でのフレネル反
射光が従来の構造にくらべ大幅に少ない。しかも、端面
を円筒状にしてレンズ効果をもたせたため光導波路と光
半導体素子の距離を従来構造よりも離すことができ、か
つフレネル反射光は放射されるため、光半導体素子２の
発光部１０への反射戻り光は極めて小さくなる。この結
果、光半導体素子２は安定した動作をすることができ
る。

【００２２】なお、上述の一実施例では光導波路端面１
１を円筒状としたが、さらに結合効率が高くなるように
収差を低減した曲面形状としてもよい。この場合にも、
実施例の説明で述べた金属マスクのパタンをこの曲面形
状に変えるだけで容易に実現できる。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の光導波路と
光半導体素子の結合構造では、光半導体素子からの出射
光を高効率で光導波路に結合させることが可能になる。
しかも、光導波路端面から光半導体素子への反射戻り光
も十分低く抑えられるため、安定した動作が得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光導波路と光半導体素子の結合構造の
第１の実施例を示す縦断面図。

【図２】本発明の光導波路と光半導体素子の結合構造の
第２の実施例を示す斜視図。

【図３】従来の光導波路と光半導体素子の結合構造を示
す縦断面図。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 光半導体素子 ３ 下部クラッド層 ４ コア部 ５ 上部クラッド層 ６ 第２の薄膜 ７ 第１の薄膜 ８ 第３の薄膜 ９ 活性層 １０ 発光部 １１ 光導波路端面 １２ 光導波路テーパ部 １３ 光導波路端面円筒部 １４ 半田

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板表面に屈折率が周囲より高いコア部
   と該コア部の上下および側面に屈折率の低いクラッド部
   を有する光導波路が形成されており、前記基板上の光導
   波路の端面に光半導体素子が前記光導波路と光学的に結
   合するよう前記基板上に配置された光導波路と光半導体
   素子の結合構造において、 前記光導波路の端面と前記光半導体素子の間に、 前記光導波路のコア部とほぼ同じ高さにある第１の薄膜
   と、 前記第１の薄膜の上部にあって該第１の薄膜の屈折率よ
   りも小さい屈折率を有する第２の薄膜と、 前記第１の薄膜の下部にあって該第１の薄膜の屈折率よ
   りも小さい屈折率を有する第３の薄膜とを備え、 前記第１の薄膜の屈折率は前記光導波路のコア部の屈折
   率よりも小さく、 前記光導波路のコア部は前記端面近傍で該端面に向かっ
   て前記基板に平行な面内でテーパ状に広がっており、 前記光導波路の端面が中心軸が前記基板に垂直な円筒面
   である ことを特徴とする導波路型光デバイスの光導波路
   と光半導体素子の結合構造。
2. 【請求項２】 前記光半導体素子が前記基板上に配置さ
   れた後に、前記光導波路のコア部よりも低くなる位置に
   第２の薄膜が形成され、次に前記コア部とほぼ同じ高さ
   の位置に第１の薄膜よりもわずかに屈折率が高い第２の
   薄膜が形成され、最後に第１の薄膜の上面に第１の薄膜
   よりも屈折率の小さい第３の薄膜が形成されたことを特
   徴とする請求項１の導波路型光デバイスの光導波路と光
   半導体素子の結合構造。